번개는 위에서 아래로 치는가? 아래서 위로 치는가?

번개가 전기현상이라는 것은 미국 건국의 아버지이자 호기심 많은 과학자이기도 한 미국의 벤자민 프랭클린이 1752년 실시한 연 실험으로  밝혀졌지만, 촬영이 가능하게 된 1920년대 이후가 되어야 본격적으로 연구되기 시작하였다. 하지만 원자를 쪼갤 정도로 발전된 과학기술을 보유하고 있는 오늘날에도 우리는 번개에 대해서 모르는 부분이 많을 정도로 번개는 아직도 신비로운 자연현상의 일부분이며 연구가 계속되고 있다. 

 

눈보라나 먼지폭풍, 화산에서 분출하는 먼지나 가스 속에서도 번개가 발생하기는 하지만 일반적으로는 적란운이 발달하면서 구름 내부에 분리 축적된 음전하와 양전하의 사이에서 일어나는 불꽃방전을 번개라고 한다. 이러한 번개는 크게 세가지 종류로 나뉜다.

 

 

1. 낙뢰: 구름과 지표면 사이에서 벌어지는 번개 현상

2. 구름방전 : 구름 내부에서 발생하고 사라지는 번개

3. 운간번개: 구름과 구름 사이에 치는 번개

 

 

일반적으로 적란운에서 발생하는 방전의 90% 이상을 구름(간)방전이 차지하며, 낙뢰 즉 대지방전(對地放電)이 차지하는 비율은 10% 정도밖에 되지 않는다고 한다.

 

적란운이 번개와 천둥을 동반하면 뇌우(雷雨)라고 하는데 뇌우가 발생하기 위한 기본적인 조건에는 불안정한 대기와 상승작용, 그리고 높은 습도가 존재하여야 한다. 번개가 발생하는 정확한 원인은 아직 과학적으로 증명되지 않았지만 일반적으로 받아들여지고 있는 이론은 적란운 내에서 상승기류와 하강기류가 충돌하면서 전하층이 분리되어 전기장이 생성되기 때문이라는 것이다.

 

상승기류는 작은 물방울들을 어는점보다 높은 고도 10km ~ 20km 까지 끌어올린다. 반면 하강기류는 상층부에 있는 우박과 얼음을 아래쪽으로 내려보낸다. 이 둘이 충돌하게 되면 상승하던 작은 물방울들은 얼어버리게 되면서 열을 방출한다. 방출된 열은 떨어지는 우박과 얼음의 표면을 주위 온도보다 약간 더 높게 만들어 주면서 약간 더 부드러운 형태의 우박, 혹은 싸락눈(graupel)을 만들어 준다. 이런 형태의 부드러운 우박, 또는 싸락눈이 상승기류의 물방울과 하강기류의 얼음과 충돌을 계속하게 되면 상승기류의 작은 물방울 들에서 전자가 떨어져 나와 하강기류의 얼음입자에 모여들어 구름의 하부는 음전하를 띠게 되고 상부는 양전하를 띠게 되어 전기장을 형성한다는 것이다.

 

이렇게 뇌우가 전기장을 형성하게 되면 뇌우가 지나가는 자리 아래 지표면에서는 양전하가 모여들게 되어 전하를 띤 구름을 쫓아다니게 된다. 하지만 구름과 지표면 사이에 존재하는 공기층은 강력한 절연체로저 전기의 흐름을 방해하기 때문에 대부분의 경우 구름 내에서 혹은 구름과 구름간에 번개가 치면서 방전이 되고 낮은 확률로 구름과 지표면 사이에서 벌어지는 낙뢰가 발생하는 것이다.

 

낙뢰(落雷)란 떨어지는 벼락이라는 뜻으로 단어 자체에 이미 하늘에서 땅으로 떨어진다는 의미를 내포하고 있지만 번개는 알고보면 하늘에서 땅으로가 아니라 반대로 땅에서 위로 치는 것이다라는 말을 들어본 것도 같다. 과연 어느 말이 맞는 것일까? 

 

낙뢰에 대한 연구는 구름방전이나 운간번개보다 관측이 비교적 용이하기 때문에 많은 연구가 이루어졌으며 그 메커니즘은 다음과 같은 것으로 알려졌다.

 

 

출처: www.weather.gov

 

 

1. 구름 하부의 음전하와 지표면의 양전하 사이에 전위차(전압)가 그 사이에 있는 공기층의 저항을 극복하고 임계치 이상으로 커지게 되면 구름 하단으로 부터 "리더(leader)"라고 불리는 음전하 통로가 사방으로 가지를 치며 움직인다. 이 때 방향은 무의미하며 위,아래,옆 어디로든 갈 수 있다.

 

2. 음전하를 띤 리더중 하나가 지표면에 가까워지면 지표면에 있는 양전하들은 나무나 피뢰침 같은 물체에 모여들게 되어 양전하 리더 또는 스트리머(streamer)라고 불리우는 자기 자신의 채널을 만들어 내려오는 음전하 리더에 접근하게 된다.

 

3. 이렇게 두 개의 채널이 만나게 되면 도선의 역할을 하는 이온 통로가 만들어져 강력한 전기 방전이 이루어지게 되는데 이것이 바로 우리가 육안으로 확인할 수 있는 번개이다. 번개는 섭씨 3만도 이상의 열을 발생시켜 주변의 공기를 급격히 팽창시키며 폭발음을 일으키는데 이것이 천둥소리이다.

 

 

고속카메라로 촬영된 아래의 영상을 보면 위에 적은 프로세스를 좀 더 현실적으로 이해할 수 있을 것이다

 

https://youtu.be/TlLheyt0WxI?si=YlfSFUERKrM9goyA

 

 

위 영상을 보면 리더는 보통 구름의 한 점으로 부터 시작해서 사방으로 가지치기를 하다가 그 중 어느 하나가 지표면에서 출발하는 리더(스트리머)와 만나게 되면 강력한 복귀 뇌격이 발생하며 이는 플라즈마 통로를 통하여 지표면으로부터으로 뇌운 쪽으로 올라가게 된다. 이 때가 번개의 방전에서 가장 밝게 빛나는 부분이고 엄청난 에너지 방출과 함께 천둥도 발생하게 된다. 

 

결론적으로 말하자면 번개의 방향은 위, 아래 모두 다라고 할 수 있다. 위와 아래에서 출발하는 리더들이 서로 만나야 하기 때문이다. 하지만 전체 과정 중에서 하이라이트 부분이자 우리 육안으로 감지되는 가장 강력한 섬광인 복귀뇌격에 대해서만 따지자면 땅에서 위로 올라가는 것이 맞다고 표현할 수 있을 것이다.🙂

 

 

 

References

 

기상청 날씨누리 (www.kma.go)

미국 국립기상청 (www.weather.gov)